CN1268937C - 伽玛探测器组件和仪器组 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种用于伽马探测器组件的柔性动态支撑壳体。该伽马探测器组件(11)包括罩在刚性壳体(22)内的闪光组件(12)和电子模块(13)。细长弹簧沿刚性壳体(22)的长度延伸。弹簧位于一个外柔性壳体内，组成一个外柔性动态支撑壳体。外柔性动态支撑壳体放到机械设备的圆柱形空腔内时，大致为圆柱形外形。闪光组件(12)包括密封在一个密封的刚性闪光壳体(37)内的晶体，电子模块(13)包括一个包含在一个刚性电子模块壳体内的光倍增器。一个包括弹簧和一个内柔性壳体的内柔性动态壳体组件，位于在外侧的刚性壳体和在内侧的密封刚性闪光壳体(37)和密封刚性电子模块壳体之间。

Description

伽玛探测器组件和仪器组

技术领域

本发明涉及用于伽玛探测器组件的柔性动态壳体。

背景技术

核探测器适用于为各种目的的石油钻探工业领域。有时，伽马探测器和中子探测器伸进井内来记录岩层构造。在测量-钻探和记录-钻探操作中，各种仪器，包括伽玛或核探测器放到一个钻探工具的空腔内而且以实时为基础进行决定性测量再进行钻探。在大部分这些应用中，可用来安装仪表的空间非常有限。先前的专利已经通过更有效地利用伽玛探测器组件内的空间比如在闪光组件内便于较大的探测器放到有用的空间内。然而，传统的方案没有充分考虑探测器如何安装进钻探工具和采矿设备内这样一个重要方面。尤其是，需要使整个探测器部件与冲击和振动隔离，需要给设备中的空腔形状提供机械顺从性，尤其在利用极小空间时需要这样做。

基于石油钻探工具的形状和操作要求，钻探工具中核探测器和其它成组器件的典型形状是圆柱形。圆柱形状的光倍增管(photomultipler tube)、圆形光学窗口相对容易安装以及其它条件通常使得探测器作成圆柱形状。近年来的趋势是减小钻探工具的直径，这样一来的结果是安装探测器的空间更小。最直接的效果是需要减小传感器组件和相关电子器件的直径。为了尽可能高地保持探测器的灵敏度，有时增加闪光元件的长度以便增加可以探测伽马射线的面积和体积。空间的缩小与场所一样受到与探测器有关的仪表和计算机模块尺寸的约束。因此，普遍存在一种既能将更多的功能结合到较小的空间内又能保持机械顺从性、热顺从性和可动支撑的需要。

可以使核探测器或其他成组器件与设备或机器中的可用空间尺寸基本相同来达到钻探工具或采矿机械中的可用空间的最大利用率。然而，这样一种方法需要精确控制空腔的大小和形状以及探测器的大小和形状。硬件上的这种限制代价太高而且限制了互换性。此外，如果不采取预防措施，则热膨胀率的不同将损坏硬件。

传统方法是利用一种形状为套管、缓冲垫或O形环的弹性材料包围在探测器部件上。为了使弹性材料能提供足够的位移以确保需要的目标，同时适应高温下的热膨胀，需要的弹性材料较厚而且占用的空间更多。厚弹性材料容易降低支撑部件的共振频率从而将高能级的振动传递到仪器内。在大多数场合下，需要提供动力隔离，但是该动力隔离又不能产生接近感应振动或冲击的高能级频率的固有共振频率。

在一种代表性的方法中采用弹簧的一个主要缺点是，弹簧不能展现出导致在共振频率产生高动力响应的高能级阻尼。阻尼性能高于金属弹簧的扁平合成橡胶有足够的“Q”值，当频率接近共振频率的振动进入探测器部件时，该值将破坏共振响应。

先前已经考虑到了需要更大空间这样一种有效方式，即利用平坦、或略微有形的、细长的径向弹簧来提供好的动力隔离和高能级阻尼，以供放大的闪光元件或光倍增管使用。这已经证明在探测器、传感器、电子模块内是有效的。然而，物理限制和操作条件使得在一些可能的情况下难于将这种弹簧安装在伽玛探测器组件部件或成组器件周围。

石油钻探工具通常为仪表系统的各个单元提供单独的压力空腔，以防止仪器承受高达25000磅每平方英寸(psi)或更高的压力。为了交换信号，这些空腔内的仪器单元与配线连接。有时，一部分仪器合并成为一个组件，然后该组件被封闭在一个压力腔内。为了最大化地利用设备中的空间，需要将更多的电子元件合并到一个组件内。对于提高内部部件的可靠性来说，仪器组件内部元件的动态支撑和组件周围的动态支撑都很重要。

发明内容

本发明提供解决上述问题的重要和基本方法。

为实现上述目的，根据本发明第一方面，提供了一种伽玛探测器组件，当它装到一个结构内时具有大致为圆柱形的外形，它包括：

一个闪光组件，该闪光组包括：一个密封在一个刚性闪光壳体内的闪光元件，和一个窗口；

一个电子模块，它包括一个包含在一个刚性电子模块壳体内的光倍增器，并且通过所述窗口与所述闪光元件光学耦合；

多个内部的独立的、细长弹簧，包围所述刚性闪光壳体和所述刚性电子模块壳体，每个所述细长弹簧基本沿所述刚性闪光和电子模块壳体的整个长度纵向延伸；和

一个包围所述多个内部的、独立的细长弹簧的内柔性壳体。

优选地，所述细长弹簧是扁平的。

优选地，该结构是一种采矿机械，它有一个大致圆柱形的空腔，该伽玛探测器组件安装在该空腔内。

优选地，该结构是一个钻探工具，它有一个大致圆柱形的空腔，该伽玛探测器组件安装在该空腔内。

优选地，还包括一个包围所述内柔性壳体的外刚性壳体。

优选地，还包括一个包围所述外刚性壳体的外柔性壳体部件。

优选地，所述外柔性壳体组包括一个外柔性壳体和多个外部的、单独的、细长弹簧，每个所述细长弹簧基本沿所述外刚性壳体的整个长度纵向延伸。

根据本发明第二方面，提供了一种仪器组，它包含在一个圆柱形状的刚性壳体内，所述刚性壳体由一组包围所述刚性壳体的细长扁平弹簧支撑，每个所述弹簧基本上沿所述刚性壳体的整个长度纵向延伸并且被封闭在一个柔性壳体内。

优选地，该仪器组适合安装在采矿机械的一个空腔内。

优选地，该仪器组适合安装在钻探工具的一个空腔内。

优选地，还包括一个密封在所述刚性壳体内的闪光组件。

优选地，还包括一个密封在所述刚性壳体内并且与所述闪光元件光耦合的电子模块。

优选地，所述弹簧被设置成，在两个所述弹簧之间有一个间隙，以消除在该位置对伽玛射线的障碍。

本发明涉及一种用于石油钻探或固态矿石开采操作等恶劣环境中检测和量化核辐射的电-光装置和其它电子仪器和仪表设备。更具体地，本发明涉及最大限度地利用可安装核探测器或其他仪表设备的空间。这里描述的一种柔性动态壳体允许一种装置能够适应安装该装置的空腔的几何和热动力特性，从而该装置可以有效地与破坏性的振动和冲击隔离。使得安装更容易、方便。以这种方式支撑的设备因受到更柔软的支撑而可望获得较长的寿命。

柔性动态壳体采用具有可预测的、可重复的机械特性的金属弹簧。这种弹簧的厚度比提供等量动力隔离所需要的合成橡胶薄得多。此外，这种弹簧不像合成橡胶那样受温度的影响。当温度升高到150到200摄氏度范围或更高时，合成橡胶的膨胀引起其在收纳它的空间内受到压迫，导致动力特性发生改变。柔性动态壳体采用的金属弹簧的特性很少受温度的影响，而且长时间在高温下不会退化或变形。

用于钻探工具和某些其他应用比如采矿应用中的核探测器部件或仪器组的典型形状是圆柱形。线性弹簧沿探测器长度布置而且放在探测器和放探测器的空间之间，这是一种解决一些已知问题的有效方法。这种弹簧提供需要的冲击和振动隔离，提供探测器形状或空腔的微小变化之间的顺从性，为不同热膨胀引起的几何变化提供顺从性。柔性动态壳体的另一个优点是，支撑是沿组件的长度分布，因此在大的冲击和振动期间减小了弯曲和剪切力。

从下面结合附图对本发明最佳实施例的详细描述中可以更容易理解上述这些和其它优点、特征。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例作出的在柔性动态壳体内的伽玛探测器组件的横截侧视图。

图2是沿图1中II-II线的剖面图。

图3是沿图1中III-III线的剖面图。

图4是装在一个机器或工具腔内的柔性动态壳体内部的图2中的闪光组件的剖面图。

图5是在装进一个机器或工具腔内的柔性动态壳体内部的图1的电子器件组的剖面图。

具体实施方式

参考图1，伽玛探测器组件11包括两个主要部件，即一个闪光组件12和一个电子模块13。一个光学窗口4容许闪光组件12中的闪烁现象产生的光线进入电子模块13。电脉冲形成在电子模块13内，这些脉冲在此被调节、测量、分级、计算、分析，逻辑判断通过电缆14送给操作者和采矿设备中的其它装置。如图所示，一个已知的光倍增管5和一个已知的电子器件组6是电子模块13的组成部分并且由一个密封的刚性电子模块壳体8保护起来与环境隔开。按照惯例，由一个螺母10提供加压密封，它压迫密封管9将引出的电缆14周围密封起来。位于电子模块13外围的是一个内柔性动态壳体部件23，它包括若干弹簧21和一个内柔性壳体35(图3)。内柔性动态壳体部件23位于密封的刚性电子模块壳体8和刚性壳体22之间。

在本实施例中，伽玛探测器组件11装在刚性壳体22内，这一点在图2-3中表示得更加清楚。而刚性壳体22已经装进一个包括弹簧21和一个外柔性壳体27的外柔性动态壳体部件20内。如图2和4所示，窗口29设在工具36内从而伽玛射线31可以进入闪光组件12中。刚性壳体22内的专用窗口45与工具36上的窗口29对齐呼应以免阻挡伽玛射线31穿过刚性壳体22的厚壁。同样的道理，在闪光组件12的这一部分省略了弹簧21，换句话说，可以使闪光组件12和进入的伽玛射线31之间的金属量最少。

闪光组件12包括闪烁晶体1，或者能够通过辐射闪光的其它装置，它包在一个密封的刚性闪光壳体37内(图2)。刚性闪光壳体37有窗口40与窗口29对应。直接包围密封壳体37内的闪光晶体1的可以是一个像弹性材料、陶制材料或其它公知的支撑介质一样的反射外罩。闪光晶体1以及反射外罩、弹性材料或其它支撑介质密封在刚性闪光壳体37内。

密封的刚性闪光壳体37和刚性壳体22之间是内柔性动态壳体部件23。参考图2，可以看到盖住窗口29的那部分壳体27和35实际上分别与刚性壳体22和密封的刚性闪光壳体37接触，因为在该区间没有用来支撑壳体27，35的弹簧21。

一种先进的用在空间受限的苛刻环境中的伽玛探测器组件必须同时满足多路的、经常冲突的要求。为了使空间最小化并且对伽马射线通过探测器壳体进入闪光组件的妨碍最小，需要壳体尽可能地薄。然而，如果壳体薄，则不能给壳体外壁施加集中或不均匀的负荷，这一点很重要，否则的话会使壳体变形并损坏闪光组件或者闪光组件受到冲击或振动而损坏。包围闪光组件的支撑系统或者光倍增器(photo-multiplier)的扭曲将削弱动力支撑特性，从而引起部件性能的损失或损坏部件。当伽玛探测器组件安装在采矿设备的铠装部件上或者装到钻探工具中时，这些因素变得尤其重要。探测器在其所属的腔内必须不能松动，因为产生的冲击可以损坏零件和/或将噪音引到输出端。但是，如果探测器固定得太紧，则探测器和空腔的所有尺寸必须精确。那么，温度变化尤其是迅速变化将导致不同的热膨胀，从而探测器及安放探测器的结构不能以相同速率膨胀，因此引起间隙改变。与安装条件有关的所有因素表明，应当为探测器及安装它的结构之间的机械顺从性作出规定。

如开始解释的那样，外柔性壳体27倾向于呈弹簧21的形状，直到探测器或其它圆柱形仪器装进圆柱形空腔33内为止，这时外柔性壳体27具有空腔33的形状。如果有一些位置，空腔33在这些位置上的直径稍微大于外柔性壳体27的直径，那么在壳体27和空腔33壁面之间就存在小间隙。这些间隙不重要。结果是弹簧21吸收了伽玛探测器组件11及安放探测器的机构之间的机械振动。安装后，弹簧21即展现出公知、可预料的机械和动力特性。随着时间的过去，弹簧21仍保持其特性，并且在油井钻探操作中经历的较宽温度范围内，弹簧的特性基本保持不变。

将伽玛探测器组件11安装到工具36上的一种典型方法是使用开口盖。图4和5示出了这样一种装置。工具36的一部分，即顶部32与下部34接触放置。每个部分32，34打磨出一个半圆柱形，从而两个部分合在一起构成工具36中的圆柱形空腔33。

外柔性动态壳体部件20包括一组线性弹簧21，它们基本在伽玛探测器组件11和包围弹簧21的外柔性壳体27的整个长度上延伸。内柔性动态壳体23在闪光组件12和电子模块13的长度上延伸。这些弹簧21和柔性壳体27和35一般由不锈钢制成。柔性壳体27和35的制作包括轧制0.0015英寸厚的钢板，来生产总共两个完整的层。用适合于该装置所用环境的高温粘接剂将两层粘合起来。在采矿操作和油井钻探操作中对于伽玛探测器组，一般选择共振频率范围为200-600赫兹的弹簧。对于其他方面的应用，可以根据在探测器内产生的振动的频率选择其它频率的弹簧。对于直径为1英寸的探测器11，一种配置可以包括0.006英寸厚、0.375英寸宽的弹簧21。可以选择其他尺寸以改变外柔性动态壳体部件20的共振频率和机械特性。应当注意到，有些恶劣环境要求弹簧21作用到探测器11上的力有好几百磅。然而，当弹簧21将这样大的力沿探测器11的长度均匀分布时，即便是薄壁部件，这些力也无法损坏它。

探测器11的第二个主要部分是电子模块13。包含在该组件13内的可以是一个公知的光传感装置5，例如光倍增器，和一个相关的已知电子器件组6，例如电源、放大器、甄别电路、存储器芯片、传感器、和/或可编程序逻辑模块(图1、5)。在这些说明中，与伽玛探测器组件关联的有代表性的电子和控制功能已经合并进是整个伽玛探测器组件11一部分的电子器件组6内。结果就是一种小型伽玛探测器组件11，它包含了与伽玛探测器组件关联的所有电子功能从而不需要单独的支承模块。通过该柔性动态壳体20，所有这些电子元件与安装它们的工具动态隔离。

Claims (13)

1.一种伽玛探测器组件，当它装到一个结构内时具有大致为圆柱形的外形，它包括：

一个闪光组件，该闪光组包括：一个密封在一个刚性闪光壳体内的闪光元件，和一个窗口；

一个电子模块，它包括一个包含在一个刚性电子模块壳体内的光倍增器，并且通过所述窗口与所述闪光元件光学耦合；

多个内部的独立的、细长弹簧，包围所述刚性闪光壳体和所述刚性电子模块壳体，每个所述细长弹簧基本沿所述刚性闪光和电子模块壳体的整个长度纵向延伸；和

一个包围所述多个内部的、独立的细长弹簧的内柔性壳体。

2.根据权利要求1所述的伽玛探测器组件，其中所述细长弹簧是扁平的。

3.根据权利要求1所述的伽玛探测器组件，其中该结构是一种采矿机械，它有一个大致圆柱形的空腔，该伽玛探测器组件安装在该空腔内。

4.根据权利要求1所述的伽玛探测器组件，其中该结构是一个钻探工具，它有一个大致圆柱形的空腔，该伽玛探测器组件安装在该空腔内。

5.根据权利要求1所述的伽玛探测器组件，还包括一个包围所述内柔性壳体的外刚性壳体。

6.根据权利要求5所述的伽玛探测器组件，还包括一个包围所述外刚性壳体的外柔性壳体部件。

7.根据权利要求6所述的伽玛探测器组件，其中所述外柔性壳体组包括一个外柔性壳体和多个外部的、单独的、细长弹簧，每个所述细长弹簧基本沿所述外刚性壳体的整个长度纵向延伸。

8.一种仪器组，它包含在一个圆柱形状的刚性壳体内，所述刚性壳体由一组包围所述刚性壳体的细长扁平弹簧支撑，每个所述弹簧基本上沿所述刚性壳体的整个长度纵向延伸并且被封闭在一个柔性壳体内。

9.根据权利要求8所述的仪器组，其中该仪器组适合安装在采矿机械的一个空腔内。

10.根据权利要求8所述的仪器组，其中该仪器组适合安装在钻探工具的一个空腔内。

11.根据权利要求8所述的仪器组，还包括一个密封在所述刚性壳体内的闪光组件。

12.根据权利要求11所述的仪器组，还包括一个密封在所述刚性壳体内并且与所述闪光元件光耦合的电子模块。

13.根据权利要求8所述的仪器组，其中所述弹簧被设置成，在两个所述弹簧之间有一个间隙，以消除在该位置对伽玛射线的障碍。

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